題目
Problem
Two particles, A , B A, B A , B , initially start from origin ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) , move along two straight lines with angle π 6 \frac{\pi}{6} 6 π between them. Particle A A A is moving at a speed of 2 2 2 , and particle B B B is moving at a speed of 6 6 6 . What is the rate of change of the distance between two particles, when particle A A A is 1 1 1 unit from the starting point? (10%)
(4) 距離變化率為 見解答 ‾ \underline{\quad\text{見解答}\quad} 見解答 .
解答
解法一
思路
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本題是典型的相關變率 (Related Rates) 問題。
兩質點 A , B A, B A , B 從同一點出發,沿著夾角為 π / 6 \pi/6 π /6 的兩條射線運動。
設時間為 t t t :
質點 A A A 的路程為 x ( t ) = 2 t x(t) = 2t x ( t ) = 2 t 。其速度為 d x d t = 2 \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2 d t d x = 2 。
質點 B B B 的路程為 y ( t ) = 6 t y(t) = 6t y ( t ) = 6 t 。其速度為 d y d t = 6 \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6 d t d y = 6 。
設兩質點之間的距離為 D ( t ) D(t) D ( t ) 。根據餘弦定理 (Law of Cosines) :
D 2 = x 2 + y 2 − 2 x y cos ( π 6 ) = x 2 + y 2 − 3 x y D^2 = x^2 + y^2 - 2xy \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy D 2 = x 2 + y 2 − 2 x y cos ( 6 π ) = x 2 + y 2 − 3 x y
我們可以對等式兩邊關於 t t t 求導以獲得 d D d t \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} d t d D 。
極速代數技巧 :
直接將 x = 2 t x=2t x = 2 t 且 y = 6 t y=6t y = 6 t 代入餘弦定理中,可以寫出 D ( t ) D(t) D ( t ) 作為 t t t 的一次函數:
D 2 ( t ) = ( 2 t ) 2 + ( 6 t ) 2 − 3 ( 2 t ) ( 6 t ) = ( 40 − 12 3 ) t 2 D^2(t) = (2t)^2 + (6t)^2 - \sqrt{3}(2t)(6t) = (40 - 12\sqrt{3})t^2 D 2 ( t ) = ( 2 t ) 2 + ( 6 t ) 2 − 3 ( 2 t ) ( 6 t ) = ( 40 − 12 3 ) t 2
取根號後(因為 t > 0 t>0 t > 0 ):
D ( t ) = t 40 − 12 3 D(t) = t \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} D ( t ) = t 40 − 12 3
這說明距離變化率 d D d t = 40 − 12 3 \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = \sqrt{40 - 12\sqrt{3}} d t d D = 40 − 12 3 是一個與時間無關的常數!不論 A A A 距離起點多遠,變化率均相同。
答題過程
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設時間為 t t t 。由於兩質點從原點出發且均作等速直線運動:
質點 A A A 的移動距離為 x = 2 t x = 2t x = 2 t ,其速度為 d x d t = 2 \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = 2 d t d x = 2 。
質點 B B B 的移動距離為 y = 6 t y = 6t y = 6 t ,其速度為 d y d t = 6 \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} = 6 d t d y = 6 。
我們利用餘弦定理計算兩質點之間的直線距離 D D D 。由於其軌跡夾角為 θ = π 6 \theta = \frac{\pi}{6} θ = 6 π :
D 2 = x 2 + y 2 − 2 x y cos ( π 6 ) D^2 = x^2 + y^2 - 2xy\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) D 2 = x 2 + y 2 − 2 x y cos ( 6 π )
代入 cos π 6 = 3 2 \cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2} cos 6 π = 2 3 :
D 2 = x 2 + y 2 − 3 x y — (1) D^2 = x^2 + y^2 - \sqrt{3}xy \quad \text{--- (1)} D 2 = x 2 + y 2 − 3 x y — (1)
當質點 A A A 距離起點 1 1 1 單位時:
x = 2 t = 1 ⟹ t = 1 2 x = 2t = 1 \implies t = \frac{1}{2} x = 2 t = 1 ⟹ t = 2 1
此時,質點 B B B 的距離為:
y = 6 ( 1 2 ) = 3 y = 6\left(\frac{1}{2}\right) = 3 y = 6 ( 2 1 ) = 3
代入式 (1) 計算此時的距離 D D D :
D 2 = 1 2 + 3 2 − 3 ( 1 ) ( 3 ) = 10 − 3 3 ⟹ D = 10 − 3 3 D^2 = 1^2 + 3^2 - \sqrt{3}(1)(3) = 10 - 3\sqrt{3} \implies D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}} D 2 = 1 2 + 3 2 − 3 ( 1 ) ( 3 ) = 10 − 3 3 ⟹ D = 10 − 3 3
對式 (1) 兩邊關於時間 t t t 進行隱函數求導:
2 D ⋅ d D d t = 2 x d x d t + 2 y d y d t − 3 ( d x d t y + x d y d t ) 2D \cdot \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = 2x \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + 2y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} - \sqrt{3} \left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}y + x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right) 2 D ⋅ d t d D = 2 x d t d x + 2 y d t d y − 3 ( d t d x y + x d t d y )
兩邊同除以 2 2 2 整理:
d D d t = 1 D [ x d x d t + y d y d t − 3 2 ( y d x d t + x d y d t ) ] \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} = \frac{1}{D} \left[ x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} - \frac{\sqrt{3}}{2}\left( y\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right) \right] d t d D = D 1 [ x d t d x + y d t d y − 2 3 ( y d t d x + x d t d y ) ]
將 x = 1 , y = 3 , D = 10 − 3 3 x=1, y=3, D = \sqrt{10 - 3\sqrt{3}} x = 1 , y = 3 , D = 10 − 3 3 以及 d x d t = 2 , d y d t = 6 \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=2, \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=6 d t d x = 2 , d t d y = 6 代入上式:
d D d t = 1 10 − 3 3 [ ( 1 ) ( 2 ) + ( 3 ) ( 6 ) − 3 2 ( ( 3 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( 6 ) ) ] = 1 10 − 3 3 [ 2 + 18 − 3 2 ( 12 ) ] = 20 − 6 3 10 − 3 3 = 2 ( 10 − 3 3 ) 10 − 3 3 = 2 10 − 3 3 \begin{align*}
\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} =&\, \frac{1}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \left[ (1)(2) + (3)(6) - \frac{\sqrt{3}}{2} \Big( (3)(2) + (1)(6) \Big) \right] \\[4mm]
=&\, \frac{1}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \left[ 2 + 18 - \frac{\sqrt{3}}{2}(12) \right] \\[4mm]
=&\, \frac{20 - 6\sqrt{3}}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} \\[4mm]
=&\, \frac{2\left(10 - 3\sqrt{3}\right)}{\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}} = 2\sqrt{10 - 3\sqrt{3}}
\end{align*} d t d D = = = = 10 − 3 3 1 [ ( 1 ) ( 2 ) + ( 3 ) ( 6 ) − 2 3 ( ( 3 ) ( 2 ) + ( 1 ) ( 6 ) ) ] 10 − 3 3 1 [ 2 + 18 − 2 3 ( 12 ) ] 10 − 3 3 20 − 6 3 10 − 3 3 2 ( 10 − 3 3 ) = 2 10 − 3 3
結論:
距離變化率為 2 10 − 3 3 2\sqrt{10 - 3\sqrt{3}} 2 10 − 3 3 。